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1. † Departamento de Ingeniería de la Comunicación e Informática
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Akashi Satoh †
II. SEMBRADORA HIDROPÓNICA COMPACTA
Un sistema de sembradoras hidropónicas para
habilitar una industria de servicios de agricultura urbana
Fig. 2 Cultivo de tomates en azoteas.
Fig. 1 Una sembradora hidropónica compacta para cultivar fresas y
su estructura básica
Palabras clave—agricultura inteligente, cultivo hidropónico, sensor
Resumen— Hemos desarrollado una sembradora hidropónica
compacta y estamos realizando experimentos de cultivo para realizar
una industria de servicios agrícolas que utiliza espacios vacíos en
áreas urbanas. Con el fin de proporcionar un método de cultivo
completo para frutas y verduras a los principiantes en la agricultura,
se han desarrollado un módulo de sensor de bajo costo y una
sembradora con un sistema de control remoto integrado. MQTT, un
protocolo ligero para IoT, se usa para monitorear los datos del sensor
y controlar una bomba. Los datos se cifran de forma segura mediante
TLS/SSL. Además de monitorear los datos del sensor, se incluye una
función de fotografía de imágenes fijas basada en una cámara
conectada por USB con detección de movimiento. También estamos mejorando las interfaces para admitir altavoces con IA, así como teléfonos inteligentes
módulo, Arduino, Raspberry Pi
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de uso autorizada limitada a: Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo. Descargado el 3 de julio de 2022 a las 07:57:26 UTC de IEEE Xplore. Se aplican restricciones.
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I. INTRODUCCIÓN
Nuestro sistema no es para producción en masa, sino para recreación donde
no se requiere un control óptimo con sensores de alta precisión.
Hemos propuesto una nueva metodología de agricultura urbana a nivel de
consumidor mediante el desarrollo y la introducción de sistemas hidropónicos
para su uso en azoteas y terrazas, a diferencia de la agricultura tradicional
que cultiva la tierra para la producción de cultivos [1][3]. Los sistemas se
pueden usar en edificios de oficinas, hospitales y escuelas primarias para
brindar un oasis, un espacio relajante y un programa de educación alimentaria.
También aspiramos a crear nuevas sextas industrias no solo vinculando a
productores y consumidores, sino también convirtiendo a los consumidores en
productores.
Universidad de Electrocomunicaciones, Chofu, Tokio, Japón
La Fig. 1 muestra nuestra sembradora hidropónica compacta y su estructura
básica, que se basa en un tubo vertical para cultivo suspendido [3]. La
estructura simple facilita la reparación y la instalación de mantenimiento,
mientras que se puede disfrutar del cultivo completo de frutas y verduras. El
agua en un tanque se bombea hacia dos tuberías verticales y se vierte sobre
las raíces de las plantas colocadas en las tuberías. Sin obstáculos, las
habitaciones se extienden libremente en el aire y están libres de pudrición de
raíces, que es común en el cultivo hidropónico durante el verano. La Fig. 2
muestra el cultivo de tomate con la sembradora compacta en la azotea. Limitar
el agua es importante para aumentar el contenido de azúcar de los tomates y
se logra fácilmente controlando el tiempo de bombeo.
Por lo tanto, nuestro módulo de sensor especializado para cultivo hidropónico
pudo lograr un bajo costo mediante el uso de una estructura de circuito
simplificada. En este documento, el hardware y
En esta agricultura urbana recreativa, la mejora de la productividad de los
cultivos no es importante. Sin embargo, se requieren algunos sistemas de
apoyo para el cultivo porque los principales usuarios de nuestros sistemas
hidropónicos son principiantes en la agricultura. No es realista que un
proveedor de servicios revise cada sistema disperso en una ciudad directamente
todos los días. Un sistema de gestión remota que utilice tecnologías IoT, como
un sistema de sensores agrícolas para una gran fábrica de hortalizas, es una
solución eficaz, pero es demasiado caro para una pequeña instalación en una
ciudad o para uso personal.
Se describen las arquitecturas de software de nuestro sistema de cultivo
hidropónico.
El sistema de sensores requiere alta precisión y alta fiabilidad para un control
óptimo del entorno de cultivo, lo que da como resultado un producto costoso.
Con el fin de proporcionar un sistema hidropónico que permita a cualquier
persona disfrutar del cultivo de manera casual, hemos desarrollado un sistema
de control y monitoreo a partir de placas de microcomputadoras de bajo
rendimiento y alto rendimiento (Arduino y Raspberry Pi) y software de código abierto.
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2. tercero MÓDULO DE SENSORES
IV. SISTEMA DE GESTIÓN REMOTA
Fig. 6 Circuito de medida de nivel de agua.
Fig. 4 Una sembradora compacta con módulo sensor.
Fig. 5 Circuito de medida de CE.
Fig. 3 Un módulo sensor para el sistema de cultivo hidropónico
apilado en una placa compatible con Arduino.
Licencia de uso autorizada limitada a: Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo. Descargado el 3 de julio de 2022 a las 07:57:26 UTC de IEEE Xplore. Se aplican restricciones.
La concentración de fertilizante líquido (basada en la conductividad eléctrica (CE)), el
nivel del agua, la temperatura del agua, la luminancia, la temperatura y la humedad se
miden conectando varios dispositivos sensores a los conectores de terminales del
módulo. La bomba de agua y un equipo de control de fertilizante son accionados por
dos interruptores de relé.
La temperatura del agua y la luminancia se miden en base al cambio de resistencia
de un termistor y un fotodiodo, respectivamente. Se utiliza un dispositivo sensor de bajo
costo [5] para medir la temperatura y la humedad atmosféricas. Para monitorear el
estado de la bomba de agua y otros dispositivos conectados al módulo del sensor, se
conectan monitores de corriente a los dos relés, que incluyen un interruptor mecánico
y un MOSFET de potencia. El módulo sensor es compatible con Arduino y otras placas
compatibles como placa principal, y principalmente utilizamos una placa compatible
con Arduino equipada con un microcontrolador, ESP-WROOM-32 [6]. Los datos del
sensor se envían a la placa compatible con Arduino a través de la interfaz serial y se
transfieren a un servidor (Raspberry Pi) utilizando el Wi-Fi de ESP WROOM-32. Para
reducir el costo del sensor, los circuitos tienen diseños simples para medir solo datos
de frecuencia y voltaje y, por lo tanto, los datos deben convertirse a EC, nivel de agua
y temperatura. Como se describe en la siguiente sección, esta conversión la realiza
Raspberry Pi, pero no Arduino.
La Fig. 4 muestra la sembradora compacta equipada con el módulo sensor. El palo
verde y delgado en el tanque es un tablero de cableado impreso con electrodos para
medir el valor de EC y el nivel del agua.
Los datos del sensor se transfieren a la Raspberry Pi, que actúa como un servidor,
a través de Wi-Fi. Los datos pueden ser monitoreados por dispositivos portátiles como
teléfonos inteligentes y tabletas desde una ubicación remota. Una solución sencilla
para este sistema es instalar un servidor web en la Raspberry Pi con una dirección IP
global y transferir los datos mediante el protocolo http. Si la Raspberry Pi y el módulo
del sensor no están ubicados en la misma LAN, esta solución requiere asignar otra
dirección IP al módulo para el control remoto de la bomba.
La bomba de circulación de agua con mangueras y un grifo de bola para el suministro
automático de agua se colocan en el centro y a la izquierda, respectivamente.
La figura 6 es el circuito de medición del nivel del agua, donde una fuente de voltaje
de 3,3 V se divide entre nueve resistencias en serie. El número de resistencias
conectadas al voltaje GND cambia con el nivel del agua, y el nivel de voltaje de salida
cambia entre 0 cuando todas las resistencias están conectadas a GND y 3,3 V cuando
todas las resistencias están abiertas. El voltaje se mide mediante un convertidor AD de
10 bits en el procesador ATmega328. Este circuito también tiene 3-
Por lo tanto, el protocolo MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) que no
requiere que se asigne una dirección IP global al cliente se utiliza para la comunicación
bidireccional. MQTT, que admite solo las funciones mínimas para dispositivos IoT, es
más liviano que HTTP y, por lo tanto, es un servicio de comunicación de solo datos de
bajo precio sin una IP global.
La Fig. 5 es un circuito oscilador para la medición de EC cuya frecuencia varía con
la concentración de la solución [2][4]. La frecuencia es capturada por el contador de
frecuencia en el procesador Arduino ATmega328. Para evitar acumulaciones en los
electrodos, el circuito está activo solo durante la medición. Incluso cuando está
desactivado, la corriente CC de fuga fluirá si se produce una diferencia de voltaje entre
cualquiera de los electrodos en el mismo tanque de agua. Por lo tanto, se insertó un
búfer de 3 estados con un modo de alta impedancia para bloquear el flujo de CC.
La Fig. 3 muestra nuestro módulo sensor para la sembradora hidropónica.
amortiguadores de estado para evitar el flujo de corriente continua en el agua cuando
está desactivado.
Control
Producción
Búfer de 3 estados
electrodos
Agua
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3. Fig. 9 Flujo de operación de datos del sensor del sistema hidropónico.
Fig. 10 Tablero para monitoreo de datos y control de bombas.
Fig. 7 Ejemplo de estructura de red del sistema hidropónico.
Fig. 8 Diagrama de flujo principal del sistema hidropónico.
frambuesa pi Módulo Sensor + Arduino
MQTT sobre SSL/TLS
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Internet
Editor de MQTT
/Abonado
Corredor MQTT
MQTT no admite la funcionalidad de seguridad, como el cifrado. Sin
embargo, los entornos de cultivo de la sembradora ubicada en una casa
privada, como la temperatura, la humedad y la iluminación, son información
privada, y se debe evitar que el control de la bomba sea controlado por un
tercero malintencionado. Por lo tanto, TLS/SSL está integrado para cifrar
paquetes MQTT.
En el cultivo remoto, es importante monitorear los datos de la imagen, así
como los datos del sensor. Es muy difícil enviar datos de video de alta
resolución en nuestro sistema, porque nuestro sistema utiliza un servicio de
red de bajo costo y bajo ancho de banda para facilitar el disfrute.
Sin embargo, las plantas no crecen rápidamente en un período corto y
Dashboard [8], una de las bibliotecas de Node-RED, se usa para
proporcionar una GUI, y la supervisión de datos en tiempo real y el control de
la bomba se realizan en la pantalla que se muestra en la Fig. 10. Los datos
del gráfico en la pantalla Dashboard se desplazan con el tiempo. Los datos se
almacenan en el servidor Raspberry Pi mediante el uso del software de base
de datos de código abierto MySQL [9] para que puedan analizarse
posteriormente. Cuando se producen situaciones anómalas, como vaciado del
agua, fallo de la bomba y perturbaciones en la red durante un período
prolongado, se envía un correo electrónico de advertencia a una dirección preseleccionada
como MVNO, se puede utilizar. MQTT es más adecuado para la operación
en tiempo real que HTTP, porque MQTT mantiene la sesión TCP conectada
una vez que se establece y, por lo tanto, no se requiere un protocolo de
negociación antes de cada transferencia de datos entre el servidor y el cliente.
MQTT admite QoS, y se pueden usar tres niveles 0-2 según la importancia de
los datos, como el nivel 3 más alto para el control de la bomba y el nivel 0 más
bajo para la temperatura que no cambia drásticamente.
La Fig. 7 muestra una estructura de red de ejemplo del sistema hidropónico.
Se instala una biblioteca de cliente MQTT en Arduino y los datos del sensor
se "publican" a través de un enrutador Wi-Fi. Un usuario puede acceder a
Raspberry Pi, que actúa como un "Broker" (servidor MQTT) utilizando un
teléfono inteligente y una PC para monitorear los datos del sensor y enviar
datos de control a Arduino, que actúa como un "Suscriptor". Node-RED [7]
instalado en Raspberry Pi se utiliza como plataforma para monitorear y
controlar datos. Node-RED es un entorno de programación basado en flujo
desarrollado mediante el uso de Node.js, y proporciona diversas aplicaciones
como IoT y servicios web al conectar módulos de Node como se muestra en
las Figs. 8 y 9.
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4. REFERENCIAS
[1] Laboratorio Satoh, “Urban Smart Agricluture,”
http://satoh.cs.uec.ac.jp/en/research/hydroponics/index.html
[2] T. Nishimura, Y. Okuyama, A. Matsushita, H. Ikeda y A. Satoh: un diseño
de hardware compacto de un módulo sensor para hidroponía, IEEE 5th
Global Conference on Consumer Electronics (GCCE2017), OS-ICE(1)-4
(octubre de 2017).
https://learn.adafruit.com/dht/overview
Cosas.
https://nodered.org/
[8] nodo-red-dashboard.
https://flows.nodered.org/node/node-red-dashboard
[5] Adafruit: sensores DHT11, DHT22 y AM2302.
https://www.espressif.com/en/producttype/esp-wroom-32
[7] Fundación: Node-RED - Programación basada en flujo para Internet de
[9] MySQL.
https://www.mysql.com/
[10] Kit de voz AIY. https://
aiyprojects.withgoogle.com/voice [11]
Julio. http://julius.osdn.jp/ [12] Abra JTALK.
http://open-jtalk.sourceforge.net
, “Agricultura fácil y agradable”
http://www.uenoengei.com/eng_rakuraku.html [4]
T. Nishimura, et al., “Módulo sensor de alta precisión y bajo costo para el
sistema de cultivo hidropónico”, IEEE GCCE2016, OS-IOT-6, 2016.
[6] Sistemas Espressif: ESP-WROOM-32
[3] Vivero de Ueno Ltd.
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Un micrófono, un altavoz y un botón LED de AIY Voice Kit [10] se
agregan al servidor Raspberry Pi para formar el altavoz AI, y Julius [11] y
Open JTalk [12] realizan el reconocimiento de voz japonés y la síntesis de
voz. respectivamente.
Desarrollamos un módulo sensor para un sistema de cultivo hidropónico
para expandir un nuevo tipo de agricultura agradable a las zonas urbanas
como interfaz del sistema hidropónico.
V. CONCLUSIÓN
enviar una imagen fija cada varios minutos o varias decenas de minutos es
suficiente. Por otro lado, no es favorable si los accidentes que ocurren
durante el intervalo pasan desapercibidos. Para hacer frente a este
problema, se implementa la detección de movimiento mediante un cálculo
de diferencia entre fotogramas y, si se detecta un movimiento significativo
durante el intervalo regular, se toma una imagen adicional (Fig. 11).
Actualmente, se implementan funciones básicas de gestión, como la lectura
de datos del sensor y la notificación de estados anormales. Planeamos
enriquecer estas funciones no solo para el cultivo hidropónico sino también
para el día a día del usuario.
áreas como una industria de servicios. Para reducir los costos del sistema,
se utilizan placas de microcomputadoras de uso general, Arduino y
Raspberry Pi, como cliente y servidor MQTT, y se construyó un sistema de
administración remota utilizando bibliotecas de código abierto y servicios
de comunicación de bajo ancho de banda. También estamos desarrollando
varios negocios de servicios para la agricultura urbana inteligente y
esperamos informar sobre ellos en un futuro próximo.
Se presenta un altavoz AI, así como un teléfono inteligente y una PC
La detección de movimiento y la compresión JPEG son operaciones
bastante pesadas de CPU para Arduino y, por lo tanto, las realiza Raspberry
Pi con una cámara USB general o un módulo de cámara especializado. Se
utiliza un Raspberry Pi 3 equipado con un procesador de 64 bits para el
servidor MQTT, pero el rendimiento del Raspberry Pi Zero de bajo costo
también es lo suficientemente bueno para el procesamiento de imágenes.
Actualmente, las imágenes capturadas tienen una marca de tiempo y se
cargan en un servidor en la nube para acceder a ellas desde cualquier parte del mundo.
Muchas imágenes se cargan cuando el intervalo de tiempo es corto o se
detectan muchos movimientos, y es difícil verificar cada imagen una por
una. Por lo tanto, se está implementando un método para comprimir
imágenes fijas en una película de lapso de tiempo y reproducirla en un
navegador web. La generación de películas se puede ejecutar en el
servidor, o la Raspberry Pi con la cámara puede crear y transferir la película
al servidor por la noche cuando no se usa la cámara. En este último caso,
se requiere configurar un servidor web con una dirección IP global en la
Raspberry Pi para ver el video durante el día. Por lo tanto, también estamos
considerando utilizar un servicio DDNS (Sistema de nombres de dominio
dinámico) gratuito que conecta un nombre de host a una dirección IP
dinámica.
Fig. 11 Menú de control de la cámara.
Licencia de uso autorizada limitada a: Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo. Descargado el 3 de julio de 2022 a las 07:57:26 UTC de IEEE Xplore. Se aplican restricciones.
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